论文部分内容阅读
摘要：随着超（超）临界火电机组设备中金属部件使用钢材种类的逐渐增多，不可避免会遇到异种钢焊接的问题。本文通过对马氏体耐热钢（T91）和奥氏体钢（TP347H）的性能分析，详细阐述了T91+TP347H焊接存在的难点，特别是早期换失效的问题，探讨了T91与TP347H异种钢接头的焊接方法、焊接材料及焊接工艺要点。经某电厂超临界机组检修过程中实际应用表明，该工艺切实可行，并在实践中取得了良好效果。
关键词： T91； TP347H； 异种钢； 早期失效； 焊接工艺；
在现代火力发电厂的建设过程中，新型高合金钢越来越多的应用到锅炉中，特别是在过热器系统中，炉内部分常采用TP347H这类不锈钢作受热面小管，而在热室中与之相连的是直径很大的蒸汽联箱，常采用T91材料，这就不可避免地产生了这两种异种钢材的焊接问题，如何分析和制订这两种材料焊接工艺，以保证现场异种钢对接的焊接质量就成了一个重点需解决的问题。
某电厂二期工程2×600MW超临界火力发电机组锅炉设备由东方锅炉厂制造，高温过热器进、出口联箱材质均为SA213—T91，在炉内高温过热器的小管材质为TP347H，在电厂检修处理过程中，通过对两种材质性能的分析，制订了合适的工艺，取得了较好的效果。
1 焊接母材化学成分及合金化原理分析
T91钢是在9CrlMo钢的基础上采用纯净化、细晶化冶金技术，以及微合金化、控轧、控冷等技术开发出的新一代中合金耐热钢。在593℃/l0万h条件下的持久强度达到100 MPa，韧性也比较好。
T91钢和部分9%—12%CR钢及常用的低合金钢和奥氏体不锈钢的化学成分如表1；
T91钢中各合金元素分别起到固溶强化、弥散强化和提高钢的抗氧化性、抗腐蚀性能。具体如下：
（1）碳是钢中固溶强化作用最明显的元素，对于T91这类马氏体钢，含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度，加速合金化元素的再分配，降低钢的焊接性、耐腐蚀性和抗氧化性，故耐热钢一般都希望降低含碳量。
（2）T91钢中含微量氮，氮的作用体现在两方面，一方面起固溶强化的作用，另一方面，T91钢中还含有少量AL，氮能与其形成ALN。ALN在1100度以上才大量溶入基体，在较低温度下又重新析出，能起到较好的弥散强化作用。
（3）铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力，含铬量小于5%时，600℃开始剧烈氧化，而含铬量达5%时，就具有良好的抗氧化性， T91含铬量提高到9%左右，使用温度能达到650℃。
（4）钒与铌都是强碳化物形成元素，加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物。为提高高温强度，在使用期间使钢中各碳化物能缓解析出，必须将V含量控制在0.25%以下；添加微量Nb能使C以NbC的形式固定下来，以提高高温强度。
（5）Mo是决定高Cr铁素体耐热钢高温蠕变断裂强度的重要合金元素，高的Mo含量，可起到固溶强化作用和碳化物（M23C6，M6C）及金属间化合物（FE2MO）析出强化作用。
TP347H是一种经过改良的18—8型的奥氏体不锈钢，它把Ti，Nb，Mo等碳化物形成元素形成的稳定碳化物固溶，然后在失效时使它们在晶内弥散析出，不仅可以改善抗晶间腐蚀能力，也可以提高蠕变断裂强度。这种奥氏体不锈钢被应用于制作电厂锅炉中管壁温度高于580℃部分，尤其在现在的超临界火电机组中的过热器、再热器均采用该种钢材。由于此类钢组织为单相奥氏体组织，因此焊后无淬硬倾向，但焊接时存在晶间腐蚀、应力腐蚀及焊接热裂纹的问题。加入Mo可提高奥氏体铬镍不锈钢的抗点状腐蚀与裂纹腐蚀能力，增加Ni含量在于增加奥氏体组织的比例，并提高抗应力腐蚀的能力，因为铬、镍合金元素形成NiO和CrO ，阻止了外介质的腐蚀，高温时表现出良好的热稳定性和较高的强度，特别是抗蠕变性能尤其突出。
2 焊接性分析
TP347H与T9l异种钢焊接的问题在于，异种钢焊接时由于不同成分、不同晶体结构的金属熔合在一起，在其熔合线附近出现了化学成分、金相组织、机械性能和物理性能的不均匀，由于这些不均匀性的存在，给焊接接头的安全使用带来不利影响。其存在主要问题如下：
2.1熔合比的影响
根据舍夫勒组织图，焊缝组织将不可避免地出现脆硬马氏体组织。为了减小T91钢对焊缝的稀释作用，需采用较小的熔合比，同时通过在焊接材料增加焊缝中奥氏体形成元素（如镍元素）的数量，可使焊缝保持奥氏体状态，避免产生淬硬的马氏体组织。将工件倾斜成上坡焊与坡口底部开成圆弧形都是可以减小熔合比。减小熔合比，可减小母材中的碳、硫等有害元素进入焊缝。硫是促进形成热裂纹的有害元素，而碳含量多，可使马氏体量也相对增多，冷裂敏感性增大。所以减小熔合比，有利于提高焊缝质量.
2.2焊缝交界面的碳迁移
由于焊缝两侧合金元素含量有很大差异，马氏体T91侧Cr的含量只有约9%，而奥氏体TP347H侧Cr的含量达19%左右。而Cr是一种强碳化物形成元素，使碳元素不断从马氏体侧向奥氏体侧迁移，在奥氏体侧形成高硬度的增碳层，韧性下降，脆性上升，而马氏体侧形成组织软化，强度降低的脱碳层。碳扩散层是异种钢焊接接头中的薄弱环节，它对接头的常温和高温瞬时力学性能影响不大，但将降低接头的高温持久强度，一般要降低10%～20%左右。即使同类钢焊接，只要母材与焊缝的合金化程度不同，也可能出现碳迁移现象，在不同Cr—Mo钢的焊接接头中，影响碳迁移的主要因素是Cr含量的差异、接头被加热的温度和在高温下停留的时间。加热温度和高温下停留时间的共同影响可以用回火参数P来表示，回火参数是研究蠕变时推导出的，也称Larson.Miller参数，其表达式为L4J：
P=T（1gt+C）×10一（1）
式中，T为加热温度，K；t为高温下停留时间，h；C为常数，碳迁移时取C=10。资料表明，回火参数P越大，脱碳层宽度和增碳层宽度也越大。 2.3 焊缝交界面上的热应力
成分和组织不同的母材其线膨胀系数不同，在部件承受热循环影响时将会在熔合面处产生较高的热应力，这个热应力是热膨胀系数差异和温度变化范围的函数。由于热应力的存在，使焊接的应力和变形比同种钢焊接时大，而且不能用焊后热处理的方法进行消除。
2.4 异种钢接头的早期失效
实践表明，在高温高压运行工况下，异种钢接头在设计寿命内易发生早期失效，使用中接头的安全性也显得更加突出。早期失效有如下特征：
（1）失效是脆性的，是由蠕变损伤造成的脆性失效。以镍基合金材料为填充金属的接头中，失效发生在熔合线上。
（2）失效是由蠕变裂纹引起的，在镍基填充金属的接头中，蠕变裂纹伴随着沿熔合线析出的大颗粒碳化物生长；
（3）失效是由蠕变裂纹引起的，所以失效也不是直接由于脱碳层蠕变强度低所造成的。
因此，选用奥氏体化能力很强的镍基焊接材料如ERNICR—3，这种材料中镍的含量达到72%左右。
3 焊接材料和工艺的选择
3.1 焊接材料的选择
镍是一种降低碳化物稳定性的元素，并削弱碳化物形成元素对碳的结合能力，因而提高焊缝中镍含量，是抑制熔合区碳迁移的最有效手段 。从减小界面拘束程度减缓蠕变速率出发，希望填充金属的强度尽可能与低强母材接近更为有利，因此在镍基材料中应选取其强度与铁素体钢相近的材料作为填充金属。Inconel 82的强度与T91的强度接近。综上所述，在焊缝金属中加入较多的镍元素将使焊缝各方面具有较好性能，故选用Inconel 82作为填充金属。
3.2 焊接工艺的选择
如果预热温度高，相当于焊接线能量的增加，熔深增加了，稀释率大，熔合比增加，反之就小，所以预热温度要适中。焊接电流大，则熔合比大，还会促使凝固过渡层和碳迁移过渡层的形成，所以应采用小线能量焊接。
由于T91淬硬倾向大，易产生冷裂纹，因此焊后应在冷却至MS点以下进行热处理，并且热处理可使残余应力进行重新分布，避免应力集中。根据章应霖等采用铁素体材料和TP347的氩弧焊接头进行高温回火热处理后的接头和以焊态接头直接运行的长时间高温运行试验（650度，25MPA）对比后，在经过890小时运行的试验结果表明，没有经过热处理的异种钢接头焊缝界面上有较多较大颗粒的碳化物析出，而经过760度保持1小时热处理后的接头在焊缝界面上的析出物很少，在经过1924小时运行后，焊态接头中出现蠕变孔洞，而经过上述热处理的接头没有出现。所以高温回火热处理不仅可以降低焊接残余应力，而且可以避免过早地出现I型碳化物，防止早期失效的发生。因此焊接宜按照T91的要求制定，采用小管径的接头按760±10，保温不少于1H执行。
4 结束语
4.1 通过T91，TP347H化学物理性能分析，为控制异种钢接头T91钢侧熔合线脱碳区，增碳区的形成与扩散，且考虑接头的热应力分布，建议采用高镍焊材，如美国产INCONEL TIG82与inconel 182和日本产ERNlCr一3等。
4.2 为防止接头冷裂纹，应采取预热的措施，以防止焊缝冷却速度过快，导致焊缝淬硬变脆，同时降低T91/TP347H接头的拘束度，预热温度通常为100～ 150℃ 。
4.3 由于T91钢容易过热脆化，严重降低焊缝冲击功，TP347H导热系数小，线膨胀系数大，要求采用线能量集中的焊接方法（如TIG），小电流，小规范。通过控制焊接电流，焊层厚度和摆动宽度，严格控制热输入量。
4.4 焊后热处理是提高该异种钢接头焊缝综合性能的关键，热处理温度为760士10℃，且严格控制升降温速度与恒温时间，从而保证焊接接头的性能。
参考文献
[1]沈士明，郑阳，徐卫东 不同Cr.Mo钢焊接接头中碳迁移宽度计算[J] 石油化工设备 2003（32）25—28
[2]杨富，章应霖等 新型耐热钢焊接[M]，中国电力出版社 2006
作者简介：张永吉 男 1983年出生，学士学位，，大唐湘潭发电有限责任公司锅炉工程师，主要从事锅炉设备技术管理工作。
关键词： T91； TP347H； 异种钢； 早期失效； 焊接工艺；
在现代火力发电厂的建设过程中，新型高合金钢越来越多的应用到锅炉中，特别是在过热器系统中，炉内部分常采用TP347H这类不锈钢作受热面小管，而在热室中与之相连的是直径很大的蒸汽联箱，常采用T91材料，这就不可避免地产生了这两种异种钢材的焊接问题，如何分析和制订这两种材料焊接工艺，以保证现场异种钢对接的焊接质量就成了一个重点需解决的问题。
某电厂二期工程2×600MW超临界火力发电机组锅炉设备由东方锅炉厂制造，高温过热器进、出口联箱材质均为SA213—T91，在炉内高温过热器的小管材质为TP347H，在电厂检修处理过程中，通过对两种材质性能的分析，制订了合适的工艺，取得了较好的效果。
1 焊接母材化学成分及合金化原理分析
T91钢是在9CrlMo钢的基础上采用纯净化、细晶化冶金技术，以及微合金化、控轧、控冷等技术开发出的新一代中合金耐热钢。在593℃/l0万h条件下的持久强度达到100 MPa，韧性也比较好。
T91钢和部分9%—12%CR钢及常用的低合金钢和奥氏体不锈钢的化学成分如表1；
T91钢中各合金元素分别起到固溶强化、弥散强化和提高钢的抗氧化性、抗腐蚀性能。具体如下：
（1）碳是钢中固溶强化作用最明显的元素，对于T91这类马氏体钢，含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度，加速合金化元素的再分配，降低钢的焊接性、耐腐蚀性和抗氧化性，故耐热钢一般都希望降低含碳量。
（2）T91钢中含微量氮，氮的作用体现在两方面，一方面起固溶强化的作用，另一方面，T91钢中还含有少量AL，氮能与其形成ALN。ALN在1100度以上才大量溶入基体，在较低温度下又重新析出，能起到较好的弥散强化作用。
（3）铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力，含铬量小于5%时，600℃开始剧烈氧化，而含铬量达5%时，就具有良好的抗氧化性， T91含铬量提高到9%左右，使用温度能达到650℃。
（4）钒与铌都是强碳化物形成元素，加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物。为提高高温强度，在使用期间使钢中各碳化物能缓解析出，必须将V含量控制在0.25%以下；添加微量Nb能使C以NbC的形式固定下来，以提高高温强度。
（5）Mo是决定高Cr铁素体耐热钢高温蠕变断裂强度的重要合金元素，高的Mo含量，可起到固溶强化作用和碳化物（M23C6，M6C）及金属间化合物（FE2MO）析出强化作用。
TP347H是一种经过改良的18—8型的奥氏体不锈钢，它把Ti，Nb，Mo等碳化物形成元素形成的稳定碳化物固溶，然后在失效时使它们在晶内弥散析出，不仅可以改善抗晶间腐蚀能力，也可以提高蠕变断裂强度。这种奥氏体不锈钢被应用于制作电厂锅炉中管壁温度高于580℃部分，尤其在现在的超临界火电机组中的过热器、再热器均采用该种钢材。由于此类钢组织为单相奥氏体组织，因此焊后无淬硬倾向，但焊接时存在晶间腐蚀、应力腐蚀及焊接热裂纹的问题。加入Mo可提高奥氏体铬镍不锈钢的抗点状腐蚀与裂纹腐蚀能力，增加Ni含量在于增加奥氏体组织的比例，并提高抗应力腐蚀的能力，因为铬、镍合金元素形成NiO和CrO ，阻止了外介质的腐蚀，高温时表现出良好的热稳定性和较高的强度，特别是抗蠕变性能尤其突出。
2 焊接性分析
TP347H与T9l异种钢焊接的问题在于，异种钢焊接时由于不同成分、不同晶体结构的金属熔合在一起，在其熔合线附近出现了化学成分、金相组织、机械性能和物理性能的不均匀，由于这些不均匀性的存在，给焊接接头的安全使用带来不利影响。其存在主要问题如下：
2.1熔合比的影响
根据舍夫勒组织图，焊缝组织将不可避免地出现脆硬马氏体组织。为了减小T91钢对焊缝的稀释作用，需采用较小的熔合比，同时通过在焊接材料增加焊缝中奥氏体形成元素（如镍元素）的数量，可使焊缝保持奥氏体状态，避免产生淬硬的马氏体组织。将工件倾斜成上坡焊与坡口底部开成圆弧形都是可以减小熔合比。减小熔合比，可减小母材中的碳、硫等有害元素进入焊缝。硫是促进形成热裂纹的有害元素，而碳含量多，可使马氏体量也相对增多，冷裂敏感性增大。所以减小熔合比，有利于提高焊缝质量.
2.2焊缝交界面的碳迁移
由于焊缝两侧合金元素含量有很大差异，马氏体T91侧Cr的含量只有约9%，而奥氏体TP347H侧Cr的含量达19%左右。而Cr是一种强碳化物形成元素，使碳元素不断从马氏体侧向奥氏体侧迁移，在奥氏体侧形成高硬度的增碳层，韧性下降，脆性上升，而马氏体侧形成组织软化，强度降低的脱碳层。碳扩散层是异种钢焊接接头中的薄弱环节，它对接头的常温和高温瞬时力学性能影响不大，但将降低接头的高温持久强度，一般要降低10%～20%左右。即使同类钢焊接，只要母材与焊缝的合金化程度不同，也可能出现碳迁移现象，在不同Cr—Mo钢的焊接接头中，影响碳迁移的主要因素是Cr含量的差异、接头被加热的温度和在高温下停留的时间。加热温度和高温下停留时间的共同影响可以用回火参数P来表示，回火参数是研究蠕变时推导出的，也称Larson.Miller参数，其表达式为L4J：
P=T（1gt+C）×10一（1）
式中，T为加热温度，K；t为高温下停留时间，h；C为常数，碳迁移时取C=10。资料表明，回火参数P越大，脱碳层宽度和增碳层宽度也越大。 2.3 焊缝交界面上的热应力
成分和组织不同的母材其线膨胀系数不同，在部件承受热循环影响时将会在熔合面处产生较高的热应力，这个热应力是热膨胀系数差异和温度变化范围的函数。由于热应力的存在，使焊接的应力和变形比同种钢焊接时大，而且不能用焊后热处理的方法进行消除。
2.4 异种钢接头的早期失效
实践表明，在高温高压运行工况下，异种钢接头在设计寿命内易发生早期失效，使用中接头的安全性也显得更加突出。早期失效有如下特征：
（1）失效是脆性的，是由蠕变损伤造成的脆性失效。以镍基合金材料为填充金属的接头中，失效发生在熔合线上。
（2）失效是由蠕变裂纹引起的，在镍基填充金属的接头中，蠕变裂纹伴随着沿熔合线析出的大颗粒碳化物生长；
（3）失效是由蠕变裂纹引起的，所以失效也不是直接由于脱碳层蠕变强度低所造成的。
因此，选用奥氏体化能力很强的镍基焊接材料如ERNICR—3，这种材料中镍的含量达到72%左右。
3 焊接材料和工艺的选择
3.1 焊接材料的选择
镍是一种降低碳化物稳定性的元素，并削弱碳化物形成元素对碳的结合能力，因而提高焊缝中镍含量，是抑制熔合区碳迁移的最有效手段 。从减小界面拘束程度减缓蠕变速率出发，希望填充金属的强度尽可能与低强母材接近更为有利，因此在镍基材料中应选取其强度与铁素体钢相近的材料作为填充金属。Inconel 82的强度与T91的强度接近。综上所述，在焊缝金属中加入较多的镍元素将使焊缝各方面具有较好性能，故选用Inconel 82作为填充金属。
3.2 焊接工艺的选择
如果预热温度高，相当于焊接线能量的增加，熔深增加了，稀释率大，熔合比增加，反之就小，所以预热温度要适中。焊接电流大，则熔合比大，还会促使凝固过渡层和碳迁移过渡层的形成，所以应采用小线能量焊接。
由于T91淬硬倾向大，易产生冷裂纹，因此焊后应在冷却至MS点以下进行热处理，并且热处理可使残余应力进行重新分布，避免应力集中。根据章应霖等采用铁素体材料和TP347的氩弧焊接头进行高温回火热处理后的接头和以焊态接头直接运行的长时间高温运行试验（650度，25MPA）对比后，在经过890小时运行的试验结果表明，没有经过热处理的异种钢接头焊缝界面上有较多较大颗粒的碳化物析出，而经过760度保持1小时热处理后的接头在焊缝界面上的析出物很少，在经过1924小时运行后，焊态接头中出现蠕变孔洞，而经过上述热处理的接头没有出现。所以高温回火热处理不仅可以降低焊接残余应力，而且可以避免过早地出现I型碳化物，防止早期失效的发生。因此焊接宜按照T91的要求制定，采用小管径的接头按760±10，保温不少于1H执行。
4 结束语
4.1 通过T91，TP347H化学物理性能分析，为控制异种钢接头T91钢侧熔合线脱碳区，增碳区的形成与扩散，且考虑接头的热应力分布，建议采用高镍焊材，如美国产INCONEL TIG82与inconel 182和日本产ERNlCr一3等。
4.2 为防止接头冷裂纹，应采取预热的措施，以防止焊缝冷却速度过快，导致焊缝淬硬变脆，同时降低T91/TP347H接头的拘束度，预热温度通常为100～ 150℃ 。
4.3 由于T91钢容易过热脆化，严重降低焊缝冲击功，TP347H导热系数小，线膨胀系数大，要求采用线能量集中的焊接方法（如TIG），小电流，小规范。通过控制焊接电流，焊层厚度和摆动宽度，严格控制热输入量。
4.4 焊后热处理是提高该异种钢接头焊缝综合性能的关键，热处理温度为760士10℃，且严格控制升降温速度与恒温时间，从而保证焊接接头的性能。
参考文献
[1]沈士明，郑阳，徐卫东 不同Cr.Mo钢焊接接头中碳迁移宽度计算[J] 石油化工设备 2003（32）25—28
[2]杨富，章应霖等 新型耐热钢焊接[M]，中国电力出版社 2006
作者简介：张永吉 男 1983年出生，学士学位，，大唐湘潭发电有限责任公司锅炉工程师，主要从事锅炉设备技术管理工作。